thiết kế và phân tích động học tay máy song song ba bậc tự do

Dựa trên các nghiên cứu về các tay máy song song đã có và các ứng dụng thực tế đã có, đề tài “ Thiết kế và phân tích động học tay máy song song ba bậc tự do” đã được đề ra với các nhiệm

GVHD : Ts PHẠM HUY HOÀNG

Ks TRỊNH HOÀNG KIÊN SVTH : NGUYỄN THÀNH PHÚC MSSV : 20502102

TP HỒ CHÍ MINH, 01/2010

i

Trong suốt thời gian ngồi trên giảng đường đại học, em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức mà quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt Ngày hôm nay, bản thân em đang đứng trước sự chuyển tiếp từ vị trí người sinh viên trở thành người Kỹ sư đảm nhận những công việc thực tế trong xã hội Chính vì vậy, Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để bản thân em trải nghiệm những kiến thức đã học vào công việc thực tế, là bước đầu tiên, là nền tảng để đảm nhận vai trò của một Kỹ sư

Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình từng bước của Thầy Phạm Huy Hoàng Em xin gửi đến thầy lòng biết ơn chân thành nhất Cùng với

sự hướng dẫn tận tình của Thầy Phạm Huy Hoàng, em xin gửi lời cảm ơn đến Kỹ sư Trịnh Hoàng Kiên (Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp trường Đại học Bách Khoa TP.HCM), anh đã truyền đạt lại những kinh nghiệm đã trải qua cùng với sự góp ý trong suốt quá trình hoàn thành luận văn Để hoàn thành mô hình luận văn, em cũng nhận được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy Trương Công Tiễn (Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp trường Đại học Bách Khoa TP.HCM ) trong những ngày gia công mô hình tại xưởng gia công của Thầy, xin gửi đến Thầy và các anh em trong xưởng gia công lời cảm ơn sâu sắc nhất

Cuối cùng, em xin kính tặng những kết quả đạt được cho Cha Mẹ, Thầy Cô, chia sẻ với bạn bè và những người thân của em, những người đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em có được ngày hôm nay

TP.HCM ngày 11, tháng 01, năm 2010

Nguyễn Thành Phúc

ii

Ngày nay bên cạnh sự phát triển của các robot nối tiếp, các tay máy song song cũng được nghiên cứu và phát triển Dựa trên các nghiên cứu về các tay máy song song đã có

và các ứng dụng thực tế đã có, đề tài “ Thiết kế và phân tích động học tay máy song song

ba bậc tự do” đã được đề ra với các nhiệm vụ sau: tìm hiểu tay máy song song và các ứng dụng thực tế, thiết kế động học tay máy song song ba bậc tự do,phân tích động học tay máy thiết kế,thiết kế chế tạo mô hình và thử nghiệm

Trong luận văn, đã sử dụng phương pháp hình học để phân tích động học tay máy, giải quyết được các bài toán động học thuận và động học nghịch của tay máy Đồng thời đưa ra được ma trận Jacobian, áp dụng vào việc phân tích động học tay máy, bao gồm: phân tích lực tay máy, phân tích vị trí kỳ dị của tay máy Dựa trên các phân tích đó, đưa

ra giải thuật lập trình điều khiển tay máy bằng công cụ lập trình toán học kỹ thuật Matlab R2008a

Dựa trên các lý thuyết phân tích trên, và điều kiện thực tế, đề tài cũng đã xây dựng được mô hình thực tế đơn giản với mục đích thử nghiệm các kết quả đã phân tích ứng dụng động cơ bước vào mô hình để điều khiển tay máy

iii

Nhiệm vụ luận văn

Lời cảm ơn i

Tóm tắt đề tài ii

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ vi

Danh sách bảng biểu ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Định nghĩa về robot 1

1.2 Thuật ngữ tay máy 2

1.3 Tay máy song song 3

1.3.1 Giới thiệu 3

1.3.2 Đặc điểm của tay máy song song 6

1.3.3 Ứng dụng của tay máy song song 6

1.4 Khái quát về tay máy song song ba bậc tự do 12

1.5 Một số nghiên cứu đã có về tay máy song song ba bậc tự do 14

1.6 Nhiệm vụ luận văn 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TAY MÁY SONG SONG 3 BẬC TỰ DO 17

2.1 Giới thiệu 17

2.2 Xác định bậc tự do của tay máy 18

2.3 Phân tích động học tay máy 18

2.3.1 Lựa chọn phương pháp phân tích tay máy 19

2.3.2 Phân tích hình học tay máy 21

2.3.4 Bài toán động học nghịch 24

2.3.5 Bài toán động học thuận 26

iv

2.4.1 Giới thiệu 29

2.4.2 Xây dựng ma trận Jacobian cho tay máy song song 3 bậc tự do 31

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰC TAY MÁY 34

3.1 Giới thiệu 34

3.2 Phương pháp phân tích bằng sơ đồ phân tích lực 35

3.3 Phương pháp sử dụng nguyên lý công khả dĩ 39

3.3.1 Giới thiệu 39

3.3.2 Phân tích lực tay máy bằng phương pháp công khả dĩ 40

3.4 Kết luận 41

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VỊ TRÍ TAY MÁY 43

4.1 Tính kỳ dị vị trí của tay máy song song 43

4.2 Phân tích tính kỳ dị của tay máy song song 3 bậc tự do 44

4.2.1 Kỳ dị động học nghịch 44

4.2.2 Kỳ dị động học thuận 45

4.2.3 Kỳ dị động học kết hợp 46

4.3 Phân tích không gian làm việc của tay máy 47

4.3.1 Không gian làm việc 47

4.3.2 Không gian làm việc cảu tay máy song song 3 bậc tự do 47

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY DỰA TRÊN CÁC PHÉP BIẾN HÌNH 49

5.1 Các phép biến hình hai chiều 49

5.1.1 Phép tịnh tiến 49

5.1.2 Phép quay hình hai chiều 50

5.2 Xây dựng giải thuật điều khiển tay máy 52

5.2.2 Xây dựng các phép biến đổi 53

5.3 Sử dụng công cụ MATLAB R2008a lập trinh điều khiển tay máy 58

5.3.1 Lập trình trên MATLAB 58

5.3.2 Tổng quan về chương trình điều khiển 58

5.4 Kết luận 59

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TAY MÁY 61

6.1 Mục đích và yêu cầu thiết kế 61

6.2 Lựa chọn kích thước hình học ban đầu 61

6.3 Sơ đồ nguyên lý của tay máy 62

6.4 Thiết kế các chi tiết 63

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 75

7.1 Giới thiệu về giao tiếp với máy tính 75

7.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp 75

7.3 Giới thiệu về động cơ bước 78

7.3.1 Nguyên lý đặc điểm của động cơ bước 79

7.3.2 Cấu tạo chung của động cơ bước 79

7.3.3 Phân loại động cơ bước 80

7.3.4 Các vần đề về điều khiển trong động cơ bước 81

7.4 Giới thiệu về vi điều khiển 87

7.5 Thiết kế các mạch điều khiển 89

7.6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục code chương trình điều khiển A1

vi

Hình 1.1 Robot KUKA 6-Dof 3

Hình 1.2 Kết cấu tay máy nối tiếp Elbow 4

Hình 1.3 Cấu trúc tay máy song song 3RRR wrist 4

Hình 1.4 Mô hình tay máy song song Gough-Stewart Platform 6-Dof 5

Hình 1.5 Ứng dụng của mô hình Gough-Stewart Platform 5

Hình 1.6 Ứng dụng dò theo vết mặt phẳng của Robot song song 6

Hình 1.7 Tricept một tay máy song song phun sơn có độ linh hoạt cao 7

Hình 1.8 Robot Hexa áp dụng trong công nghệ lắp ráp 7

Hình 1.9 Robot Tornado được cấu hình làm máy phay 5 trục dùng trong gia công tự động 8

Hình 1.10 Hexabot kết hợp với máy phay ngang tạo thành máy CNC 5 trục 8

Hình 1.11 Rotbot song song Dragonfly cắt phôi bằng tia nước 9

Hình 1.12 Tay máy song song trong hệ thống giám sát 10

Hình 1.13 Tay máy song song phẫu thuật từ xa 10

Hình 1.14 MTS máy vận chuyển phôi 3 trục 11

Hình 1.15 Tay máy vận chuyển sản phẩm ParaDex 11

Hình 1.16 Cấu trúc mô phỏng của mắt người 12

Hình 1.17 Tay máy 3RRR Spherical Parallel Robot áp dụng trong kính thiên văn 12

Hình 1.18 Các kiểu kết cấu tay máy song phẳng 13

Hình 1.18 Kết cấu nguyên lý tay máy song song 3 bậc tự do 13

Hình 1.19 Mô hình nghiên cứu tại trường Nanyang[2002] 14

Hình 1.20 Mô hình nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia, Mỹ [2002] 15

Hình 1.21 Mô hình nghiên cứu tại IEEE [2003] 15

Hình 1.22 Mô hình nghiên cứu tại Viện khoa học kỹ thuật Kwangju [2002] 16 Hình 2.1 Mô hình mô tả tay máy song phẳng 3 bậc tự do 3-RRR 17

vii

Hình 2.3 Xác định các thông số D-H của kết cấu động học vòng kín 20

Hình 2.4 Xác định thông số hình học tay máy 21

Hình 2.5 Thông số hình học của cánh tay thứ nhất 22

Hình 2.6 Thông số hình học của cánh tay thứ hai 23

Hình 2.7 Thông số hình học của cánh tay thứ ba 24

Hình 2.8 Hai vị trí của cánh tay 28

Hình 2.9 Các vị trí chứng minh số nghiệm của phương trình động học 29

Hình 2.8 Mô hình phân tích ma trận Jacobian 31

Hình 3.1 Sơ đồ phân tích lực tay máy 35

Hình 3.2 Mômen tác động trên các khâu nối giá 38

Hình 4.1 Vị trí kỳ dị động học nghịch 44

Hình 4.2 Vị trí kỳ dị động học thuận 46

Hình 4.3 Mô hình có vị trí kỳ dị kết hợp 46

Hình 4.4 Không gian làm việc của tay máy 48

Hình 5.1 Phép tịnh tiến 1 đối tượng 49

Hình 5.2 Phép quay 1 điểm trong mặt phẳng 51

Hình 5.3 Các thông số ràng buộc của tay máy 52

Hình 5.4 Tọa độ các điểm nối giá trong hệ tọa độ cố định 54

Hình 5.5 Tọa độ các điểm nối mâm trong hệ tọa độ cố định 54

Hình 5.6 Lập ma trận mối quan hệ động học cho cánh tay thứ I 55

Hình 5.7 Sơ đồ giải thuật 58

Hình 5.8 Giao diện chương trình điều khiển tay máy 59

Hình 6.1 Các thông số hình học tay máy 62

Hình 6.2 Sơ đồ truyền động ở mỗi cánh tay 62

Hình 6.3 Cơ cấu khớp bản lề 63

Hình 6.4 kết cấu khớp bản lề 64

Hình 6.5 Đầu nối khớp 64

Hình 6.6 Kết cấu trục khớp 65

Hình 6.8 Kết cấu khớp bản lề liên kết với mâm di động 65

Hình 6.9 Kết cấu đế nối mâm di động 66

Hình 6.10 Kết cấu trục khớp nối mâm di động 66

Hình 6.11 Kết cấu khâu liên kết 67

Hình 6.12 Khâu liên kết 67

Hình 6.13 Động cơ bước STEP SYN 68

Hình 6.14 Khớp nối trục đàn hồi 69

Hình 6.15 Kích thước nối trục 69

Hình 6.16 Kết cấu ổ trục bạc đạn nhào 70

Hình 6.17 Gối trục ổ bi nhào UCF 204 71

Hình 6.18 Kết cấu trục tác động 72

Hình 6.19 Mô hình thiết kế mô phỏng 72

Hình 6.20 Mô hình chế tạo thực tế 73

Hình 6.21 Cụm cơ cấu tác động 73

Hình 6.22 Cụm động cơ dẫn động 74

Hình 7.1 Các kiểu giao tiếp với máy tính 75

Hình 7.2 Sơ đồ các chân cổng COM DB25 và DB9 77

Hình 7.3 Cấu tạo động cơ bước 80

Hình 7.4 Cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi có 3 cuộn dây pha 81

Hình 7.5 Mặt cắt của động cơ đơn cực có s = 300 82

Hình 7.6 Mặt cắt của động cơ lưỡng cực 84

Hình 7.7 Nguyên lý điều khiển bước đủ 85

Hình 7.8 Nguyên lý điều khiển Microstepping 86

Hình 7.9 Sơ đồ chân PIC 18F4331 88

Hình 7.10 Mạch điều khiển 18F43318 89

Hình 7.11 Mạch điều khiển PIC 18F4331 với RS232 90

Hình 7.12 Mạch điều khiển step Motor 90

Hình 7.13 Mạch công suất chính 90

ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 7.1: Bảng các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232 77 Bảng 7.2: Bảng mô tả các chân cổng COM 78

set(gca, 'drawmode' , 'fast' );

set(fig, 'MenuBar' , 'none' , 'BackingStore' , 'off' );

subplot( 'Position' , [0.08,0.1,0.6,0.85]);

axis equal ; axis([-400 400 -400 400]); grid;

% - Hinh hoc tay may

rA = 170; % khau noi gia

plat = line( 'color' ,[.5,0,0], 'erasemode' , 'xor' , 'LineWidth' ,1.3);

% toa do tam tam

set(tooltraj, 'xdata' ,C(1), 'ydata' ,C(2));

set(tooltip, 'xdata' ,C(1), 'ydata' ,C(2));

set(Base01, 'xdata' ,O(1,1), 'ydata' ,O(2,1));

set(Base02, 'xdata' ,O(1,2), 'ydata' ,O(2,2));

set(Base03, 'xdata' ,O(1,3), 'ydata' ,O(2,3));

% Xac dinh cac

link1p=line( 'color' ,[0,0.3,0], 'LineStyle' ,

'-' 'erasemode' , 'xor' , 'LineWidth' ,1.5);

link2p=line( 'color' ,[0,0.3,0], 'LineStyle' ,

'-' 'erasemode' , 'xor' , 'LineWidth' ,1.5);

link3p=line( 'color' ,[0,0.3,0], 'LineStyle' ,

'-' 'erasemode' , 'xor' , 'LineWidth' ,1.5);

link1d=line( 'color' ,[0,0.3,0], 'Marker' , 'o' , 'MarkerSize' ,5, .

'LineStyle' , '-' , 'erasemode' , 'xor' , 'LineWidth' ,1.5);

link2d=line( 'color' ,[0,0.3,0], 'Marker' , 'o' , 'MarkerSize' ,5, .

'LineStyle' , '-' , 'erasemode' , 'xor' , 'LineWidth' ,1.5);

X_axis=line( 'color' , 'k' , 'erasemode' , 'none' , 'LineWidth' ,1.5);

Y_axis=line( 'color' , 'k' , 'erasemode' , 'none' , 'LineWidth' ,1.5);

Z_axis=line( 'color' , 'k' , 'erasemode' , 'none' , 'LineWidth' ,1.5);

set(X_axis, 'xdata' ,[0; 50], 'ydata' ,[0; 0]);

set(Y_axis, 'xdata' ,[0; 0], 'ydata' ,[0; 50]);

text(60,0, 'X' ); text(0,60, 'Y' );

RRR_GUI; % chay giao dien

% - RRR_GUI.m -

IM = 1; %Che do dieu khien tay

stop = 1;

% Thong bao kiem tra vi

OK = 'Pham vi lam viec' ;

MessBox = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[630 250 200 16],

'FontWeight' , 'demi' , 'String' ,OK);

% Menu

Run_menu = uimenu(fig, 'Label' , 'Chay' , 'Interruptible' , 'on' ,

'CallBack' ,[ 'if IM == 0,' , 'run=1;,' ,

'while run, refresh(fig); RRR_draw; run=0; end; end;' ]);

% Menu “lam

Refresh_menu = uimenu(fig, 'Label' , 'Lam moi' , 'CallBack' , 'refresh(fig)' );

% Me nu “Duong

Traj_menu = uimenu(fig, 'Label' , 'Bien dang' );

Traj_submenu0 = uimenu(Traj_menu, 'Label' , 'Dieu khien tay' ,

'CallBack' , 'IM = 1; refresh(fig); X = 0; Y = 0; PHI = 0;' );

Traj_submenu1 = uimenu(Traj_menu, 'Label' , 'Duong tron' , 'Separator' , 'on' ); Traj_submenu1_rem = uimenu(Traj_submenu1, 'Label' ,

'Chuyen dong song phang theo duong tron' , 'CallBack' ,[ 'IM = 0;,'

sli_X = uicontrol(fig, 'Style' , 'slider' , 'Pos' ,[670 150 120 17],

'Min' ,-400, 'Max' ,400, 'SliderStep' ,[1/800 10/800],

'Val' ,0, 'CallBack' ,[ 'if

IM==1,' , 'X=round(get(sli_X,''Val''));,'

'set(X_cur,''String'',num2str(X)),' , 'traj_00,' , 'RRR_draw,' , 'end' ]);

% Thanh truot

sli_Y = uicontrol(fig, 'Style' , 'slider' , 'Pos' ,[670 100 120 17],

'Min' ,-400, 'Max' ,400, 'SliderStep' ,[5/800 50/800],

'Val' ,0, 'CallBack' ,[ 'if IM==1,' , 'Y=round(get(sli_Y,''Val''));,'

'set(Y_cur,''String'',num2str(Y)),' , 'traj_00,' , 'RRR_draw,' , 'end' ]);

% Thanh truot

sli_PHI = uicontrol(fig, 'Style' , 'slider' , 'Pos' ,[670 50 120 17],

'Min' ,-180, 'Max' ,180, 'SliderStep' ,[1/180 1/18],

'Val' ,0, 'CallBack' ,[ 'if IM==1,' , 'PHI=round(get(sli_PHI,''Val''));,'

'set(PHI_cur,''String'',strcat(num2str(PHI),''°'')),' ,

'traj_00,' , 'RRR_draw,' , 'end' ]);

'-% Hien thi gia tri nho

X_max = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[791 150 45

% Nhan Thanh

X_label = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[700 170 20

17], 'String' , 'X:' );

Y_label = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[700 120 20

17], 'String' , 'Y:' );

PHI_label = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[700 70 20 17],

'FontName' , 'Symbol' , 'String' , 'f:' );

% Hien thi cac giua tri hien

X_cur = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[722 170 45 17], 'String' ,

% Hien thi cac gia tri cac goc lam viec dau

vao -MessBox2 = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[630 200 200 16],

'FontWeight' , 'demi' , 'String' , 'Vi tri lam viec' );

MessBox3 = uicontrol(fig, 'Style' , 'text' , 'Pos' ,[630 320 200 16],

'FontWeight' , 'demi' , 'String' , 'Theta1-Theta2-Theta3' );

% Nut

pbreset = uicontrol(fig, 'Style' , 'push' , 'Pos' ,[701 400 60 22],

'String' , 'RESET' , 'CallBack' ,[ 'if IM == 1,' ,

'refresh(fig); traj_00; RRR_draw; ' , 'end;' ]);

% RRR_draw.m(Giai bai toan dong hoc

nghich) -% Vong lap chinh - for j=1:num_steps,

% Ma tran bien doi cua toa do tam

% Xuat vi tri tam phng ra man

set(plat, 'xdata' ,B(1,[1:3,1]), 'ydata' ,B(2,[1:3,1]));

% Tinh toan cac thong so rang buoc hinh

n = (B-A)/l; %vecto doc theo cac khau

set(link1p, 'xdata' ,[O(1,1);A(1,1)], 'ydata' ,[O(2,1);A(2,1)]);

set(link2p, 'xdata' ,[O(1,2);A(1,2)], 'ydata' ,[O(2,2);A(2,2)]);

set(link3p, 'xdata' ,[O(1,3);A(1,3)], 'ydata' ,[O(2,3);A(2,3)]);

set(link1d, 'xdata' ,[A(1,1);B(1,1)], 'ydata' ,[A(2,1);B(2,1)]);

set(link2d, 'xdata' ,[A(1,2);B(1,2)], 'ydata' ,[A(2,2);B(2,2)]);

set(link3d, 'xdata' ,[A(1,3);B(1,3)], 'ydata' ,[A(2,3);B(2,3)]);

% Ve toa do tam tam

set(tooltraj, 'xdata' ,C(1,j), 'ydata' ,C(2,j));

set(tooltip, 'xdata' ,C(1,j), 'ydata' ,C(2,j));

drawnow

set(MessBox, 'String' ,OK, 'ForegroundColor' , 'black' );

end

% RotMat.m(Matran xoay) - function res = RotMat(phi)

res = [ cos(phi), -sin(phi); sin(phi), cos(phi)];

% Che do dieu khien tay -

num_steps = 1; % buoc di chuyen

C(:,1) = [X; Y];

R(:,:,1) = RotMat(pi*PHI/180);

% Chay theo bien

dang -% Thong so quy

C(:,i) = [radius_circle - radius_circle*(i-s1-s2)/s3; 0];

phi = -orientation + (orientation/s3)*(i-s1-s2);

R(:,:,i) = RotMat(phi);

end ;

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Định nghĩa về robot

Ngày nay bên cạnh sự phát triển không ngừng của công nghệ gia công cơ khí, công nghệ chế tạo các vi mạch điện tử, công nghệ thông tin và lý thuyết điều khiển tự động thì lĩnh vực robot cũng không ngừng phát triển theo, hình thành các robot công nghiệp thay thế cho con người thực hiện các thao tác công nghệ, đặc biệt trong môi trường nguy hiểm độc hại Có rất nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu về lĩnh vực này như là: Nhật Bản, Mỹ, Úc, Nga… Và các kết quả đạt được khiến con người không phải không ngạc nhiên Do vậy cũng có rất nhiều khái niệm, cũng như định nghĩa về robot

Theo viện nghiên cứu của Hoa Kỳ thì robot được định nghĩa như sau: “Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng”, (Schlusel, 1985)

Định nghĩa về robot còn được Mikell P Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực robot , mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết

bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người”

Định nghĩa của Mikell P Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà còn mở rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quyết định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của sự vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý

Theo giáo sư Sitegu Watanabe ( Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghiệp phải thỏa mãn các yếu tố sau:

­ Có khả năng thay đổi chuyển động;

­ Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác;

­ Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao;

­ Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động;

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 2

­ Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài

Còn theo giáo sư Masahioo (viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải phải có các đặc điểm sau:

­ Có khả năng thay đổi chuyển động

­ Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ)

­ Có tính vạn năng

­ Có những đặc điểm của người và máy

Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh hoạt của những hệ thống sản xuất có áp dụng robot, P.J mckerrow, một nhà nghiên cứu về robot của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác Theo ông, robot là một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như một máy tính,

là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng

Các robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau: tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động và giải phóng con người khỏi những công nghiệp cực nhọc và tẻ nhạt Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi robot ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi tự nhiên, robot đã thực

sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn

1.2 Thuật ngữ tay máy

Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn trong lĩnh vực này không có sự khác biệt Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo của cánh tay người Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế

để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu động Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xy-lanh thủy lực, xy-lanh khí nén,v.v … Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối cùng (End-Effector) để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 3

Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot là một chuỗi động học được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và vận tốc dịch chuyển của khâu cuối- khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần

1.3 Tay máy song song

Hình 1.1 Robot KUKA 6-Dof

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 4

Hình 1.2 Kết cấu tay máy nối tiếp Elbow

Tuy nhiên, kiểu tay máy nối tiếp vẫn có những mặt hạn chế của chúng, các cơ cấu chấp hành gắn trên giá phải mang và di chuyển cả cánh tay, các liên kết và cơ cấu chấp hành, vì lý do đó trong thực tế khó có thể thực hiện việc điều khiển những dịch chuyển nhanh và chính xác với cánh tay như vậy Kết quả là cánh tay kém cứng vững

và kém chính xác Vì vậy, các kiểu kết cấu được nghiên cứu và sử dụng trong robot

Đó chính là kiểu kết cấu tay máy song song (Parallel manipulator)

Hình 1.3 Cấu trúc tay máy song song 3RRR wrist

Tay máy song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi vòng kín với một nhóm các

cơ cấu dẫn động (nối giá) và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau Với những vòng kín như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của tay máy Hơn thế nữa, tất cả các cơ cấu chấp hành ta có thể đặt trên giá nếu cần để đạt được một kết cấu di chuyển rất nhẹ

và tận dụng được phần lớn năng lượng trực tiếp từ trục động cơ Bên cạnh đó ta còn giảm được sai số vị trí của cơ cấu tác động cuối, vì lý do đó mà cánh tay loại này

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 5

chiếm ưu thế trong điều khiển tốc độ cao, độ chính xác cao, tải trọng lớn và có độ cứng vững cao hơn là tay máy nối tiếp

Hình 1.4 Mô hình tay máy song song Gough-Stewart Platform 6-Dof

Để đạt được những yêu cầu đó người ta đã và đang thiết kế, phát triển loại

Parallel Robot và nhắm đến việc đưa chúng vào ứng dụng Mô hình Gough-Stewart

Platform là một ví dụ điển hình cho kiểu tay máy song song Tay máy song song 6

bậc tự do này bao gồm một tấm phẳng được tác động bởi 6 cơ cấu tác động thẳng (hệ xi-lanh khí nén) Mô hình này được ứng dụng trong huấn luyện bay, chịu được tải trọng lớn ( lên đến 15000 kg), dùng để huấn luyện phi công ở mặt đất

Hình 1.5 Ứng dụng của mô hình Gough-Stewart Platform

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 6

1.3.2 Đặc điểm của tay máy song song

So với tay máy nối tiếp tay máy song song có những đặc điểm sau:

+ Ưu điểm:

- Tải trọng làm việc với lớn so với khối lượng riêng của bản thân tay máy

- Có khả năng di chuyển nhanh nhẹn

- Độ bền vững kết cấu cơ khí cao

- Khối lượng nhỏ

- Cấu trúc cơ khí đơn giản

- Cơ cấu chấp hành nối giá

+ Nhược điểm:

- Không gian làm việc nhỏ

- Động học phức tạp

- Phức tạp khi phân tích các điểm làm việc kỳ dị

1.3.3 Ứng dụng của tay máy song song

Tay máy song song hiện nay được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành, các lĩnh vực khác nhau

Trong ngành công nghiệp:

- Hàn điểm, hàn đường: Robot có thể sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như lò đúc xưởng rèn và xưởng hàn Một tay máy cấu trúc song song có thể ứng dụng trong cộng nghệ hàn điểm, hàn đường với nhiệm

vụ di chuyển theo đường điểm đã định sẵn để thực hiện thao tác hàn

Hình 1.6 Ứng dụng dò theo vết mặt phẳng của Robot song song

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 7

- Phun sơn: sơn là công việc nặng nhọc và độc hai đối với con người nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với Robot Ngoài ra con người phải mất hơn thời gian để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi Robot chỉ mất vài giờ để thiết lập bề mặt sơn và có khả năng lặp lại chính xác các động tác sơn phức tạp chính vì vậy cấu trúc tay máy song song cũng được ứng dụng để thực hiện nhiệm vụ này Tay máy phun sơn Tricept là một ví dụ điển hình

Hình 1.7 Tricept một tay máy song song phun sơn có độ linh hoạt cao

- Tay máy song song trong dây chuyền lắp ráp: Lắp ráp là một công việc tương đối nhẹ nhàng, tuy nhiên do tính chất công việc là đơn điệu lặp đi lặp lại dễ gây nhàm chán cho công nhân dẫn đến hiệu quả làm việc không cao và tốn nhiều nhân công Chính vì vậy tự động hóa trong dây chuyền lắp ráp là một yêu cầu lớn trong vấn đề tự động hóa của nhà máy Ở đó, robot sẽ thay công nhân thực hiện công việc lắp ráp sản phẩm, mang lại hiệu quả làm việc và năng suất chất lượng sản phẩm tăng cao

Hình 1.8 Robot Hexa áp dụng trong công nghệ lắp ráp

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 8

- Tay máy song song thực hiện các thao tác gia công đóng vai trò như máy CNC: Trong sản xuất lớn, những Robot gia công này là những hệ thống được tự động hoá hoàn toàn: từ việc gắp đặt phôi liệu, thay đổi dụng cụ đến cả thi hành các lệnh gia công chi tiết Nhờ vậy chất lượng của chi tiết cũng như độ chính xác gia công hoàn toàn hơn hẳn việc gia công được thực hiện trên máy công cụ do các công nhân thao tác Vừa tiết kiệm được thời gian, nhân công, vừa nâng cao chất lượng sản phẩm do vậy ứng dụng Robot trong gia công ngày càng nhiều Đặc biệt các tay máy song song cũng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực này

Hình 1.9 Robot Tornado được cấu hình làm máy phay 5 trục

dùng trong gia công tự động

Hình 1.10 Hexabot kết hợp với máy phay ngang tạo thành máy CNC 5 trục

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 9

- Tay máy song song trong chế tạo phôi:Bao gồm các Robot cắt phôi: cắt bằng nước, bằng dao cắt, bằng tia laser

Hình 1.11 Rotbot song song Dragonfly cắt phôi bằng tia nước

- Tay máy song song trong hệ thống nhận dạng và giám sát: Quá trình sản xuất luôn phải kiểm tra và giám sát để kịp thời loại bỏ khuyết tật sản phẩm cũng như phân loại sản phẩm Tuy nhiên công việc này đòi hỏi độ chính xác cao Đôi khi các khuyết tật sản phẩm không thể nhận biết bằng mắt thường, mà phải thực hiện bằng các dụng cụ kiểm tra giám sát Chính vì vậy mà từ lâu người ta đã thay thế con người bằng các hệ thống giám sát bằng cảm biến, bằng camera, cùng với các giải thuật nhận dạng ảnh để xác định các chi tiết lắp ráp (dùng trong các dây chuyền lắp ráp), hay loại bỏ các phế phẩm Một trong các ưu điểm của hệ thống nhận dạng bằng camera là tôc độ nhận dạng cao nhờ được xử lý bằng PC, có tốc độ xử lý cao hơn các bộ xử lý khác Các mẫu sau đây là một số Robot ứng dụng dùng trong giám sát

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 10

Hình 1.12 Tay máy song song trong hệ thống giám sát

 Tay máy song song trong y học: Ngày nay y học ngày càng phát triển đạt nhiều thành tựu cao trong việc chăm sóc sức khỏe con người Các biện pháp y học ngày nay cũng đã có mặt của lĩnh vực điều khiển, ví dụ như các hệ thống nội soi phát hiện các khối u trong cơ thể, hoặc hệ thống nội phẫu thuật, ở đó đôi bàn tay khéo léo của các bác sĩ đã được thay thế bằng các dụng cụ tinh vi và hiện đại Đặc biệt trong lĩnh vực phẫu thuật cũng đã có sự thay thế của các cánh tay robot thực hiện các ca phẫu thuật từ

xa

Hình 1.13 Tay máy song song phẫu thuật từ xa

Hình 1.14 MTS máy vận chuyển phôi 3 trục

Hình 1.15 Tay máy vận chuyển sản phẩm ParaDex

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 12

 Tay máy song song trong thiên văn học : 3RRR Spherical Parallel Robot (mô phỏng mắt người áp dụng trong kính thiên văn)

Hình 1.16 Cấu trúc mô phỏng của mắt người

Hình 1.17 Tay máy 3RRR Spherical Parallel Robot

áp dụng trong kính thiên văn

1.4 Khái quát về tay máy song song ba bậc tự do (3-RRR)

Dựa vào từng kiểu di chuyển tự nhiên mà một tay máy có thể mà ta phân loại thành chuyển động song phẳng (planar), chuyển động không gian cầu (spherical), chuyển động không gian (spatial)

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 13

Đối với những tay máy song phẳng (planar parallel), mà quỹ đạo của chuyển động nằm trong cùng một mặt phẳng, chúng có thể có hai hoặc ba bậc tự do bao gồm các chuyển động tịnh tiến theo hai phương, và chuyển động quay theo một phương còn lại

Hình 1.18 Các kiểu kết cấu tay máy song phẳng

Tay máy song phẳng ba bậc tự do 3-RRR là một trong các kiểu kết cấu tay máy song phẳng trên Tay máy song phẳng ba bậc tự do bao gồm ba cánh tay máy liên kết giữa giá cố định với khâu tác động cuối cùng là mâm phẳng di động; mỗi tay máy có

ba bậc tự do trong các khớp liên kết của chúng Mỗi tay máy bao gồm 2 khâu và 3 khớp nối, sử dụng các khớp bản lề (khớp xoay- Revolute- 1 bậc tự do) được dẫn động thông qua ba actuator nối cứng với giá

y

x P

D A

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 14

1.5 Một số nghiên cứu đã có về tay máy song song ba bậc tự do (3-RRR)

Robot là một lĩnh vực phát triển trong thời đại hiên nay do yêu cầu ngày càng nhiều về việc thay thế sức người trong sản xuất và đáp ứng các nhu cầu khác của cuộc sống con người Trong những thế kỷ qua robot đã mang lại nhiều thành tựu đáng kể, đặc biệt là các nghiên cứu về robot nối tiếp( serial robot) Bên cạnh đó, các tay máy song song là một lĩnh vực mới của khoa học nghiên cứu về robot Kết cấu tay máy song song 3 bậc tự do đã được triển khai nghiên cứu và ứng dụng trên thế gới Tuy vậy phạm vi nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong sản xuất chưa được phổ biến

Tại Viện công nghệ kỹ thuật chế tạo, thuộc Trường Đại Học Kỹ Thuật Nanyang, Singapore đã triển khai thiết kế chế tạo mô hình tay máy song phẳng ba bậc tự do 3-RRR, với mục tiêu phát triển phương pháp phân tích hình học cho việc phân tích điều kiện kỳ dị của tay máy song phẳng

Hình 1.19 Mô hình nghiên cứu tại trường Nanyang[2002]

Tại Viện Công nghệ Georgia Mỹ, một mô hình của tay máy song phẳng 3 bậc tự

do cũng đã được triển khai Tuy nhiên cũng dừng lại ở phạm vi nghiên cứu, thử nghiệm

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 15

Hình 1.20 Mô hình nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia, Mỹ [2002]

Các thành viên hiệp hội IEEE (Hiệp hội các kỹ sư điện và điện tử) cũng đã xây dựng một mô hình của tay máy song phẳng 3 bậc tự do dùng nghiên cứu điều kiện kì

dị của tay máy bằng phương pháp hình học

Hình 1.21 Mô hình nghiên cứu tại IEEE [2003]

Một mô hình khác biệt được nghiên cứu tại Viện khoa học kỹ thuật Kwangju trong nghiên cứu về việc xây dựng một kiểu kết cấu khác cho cho tay máy song song, nhằm đáp ứng cho công việc nghiên cứu về tính kỳ dị của chúng

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 16

Hình 1.22 Mô hình nghiên cứu tại Viện khoa học kỹ thuật Kwangju [2002]

1.6 Nhiệm vụ luận văn

Dựa trên các nghiên cứu đã có về tay máy song song ba bậc tự do, các nhiêm vụ được đề ra đối với đề tài “ Thiết kế và phân tích động học tay máy song song ba bậc

tự do” là:

- Tìm hiểu tay máy song song và các ứng dụng thực tế

- Thiết kế động học tay máy song song ba bậc tự do

- Phân tích động học tay máy thiết kế

- Thiết kế chế tạo mô hình và thử nghiệm

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TAY MÁY SONG SONG 3 BẬC TỰ DO 2.1 Giới thiệu

Như đã khái quát trong Chương 1, ta khảo sát tay máy song phẳng 3 bậc tự do có

mô hình kết cấu như Hình 2.1

y

x D

A

C

B h

Hình 2.1 Mô hình mô tả tay máy song phẳng 3 bậc tự do 3-RRR

Mô hình tay máy được dẫn động bởi 3 actuator gắn trên giá cố định tại 3 điểm P,

Q, R tạo thành tam giác PQR đều chiều dài cạnh là c Tay máy bao gồm 3 cánh tay liên kết với mâm phẳng di động bằng 3 khớp bản lề tại 3 điểm A, B, C cũng tạo thành tam giác ABC đều chiều dài cạnh là h Mỗi cánh tay bao gồm 2 khâu liên kết với nhau bằng khớp bản lề Chiều dài các khâu tương ứng với từng cánh tay thứ i là a và i b , i

với i   Như vậy tay máy bao gồm 8 khâu (kể cả khâu giá), và 9 khớp nối là khớp 1 3bản lề

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 18

2.2 Xác định bậc tự do của tay máy

Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của tay máy trong vùng không gian hoạt động của nó Qua các khảo sát thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy trong công nghiệp, các tay máy phải có bậc tự do chuyển động cao

Tay máy song phẳng ba bậc tự do 3-RRR này có hai bậc tự do tịnh tiến theo hai phương x, y Bậc tự do còn lại là quay theo trục z

Ta có thể xác định bậc tự do của cơ cấu như sau:

Số bậc tự do của cơ cấu:

F=(n - j - 1) + fi - fp (2.1) Với:

 : là bậc tự do của khâu chuyển động song phẳng (=3)

n : là tổng số khâu trong cơ cấu

j : là tổng số khớp trong cơ cấu

fi : là tổng số bậc tự do của các khớp trong cơ cấu

fp : là tổng số bậc tự do thừa của cơ cấu Vậy F = 3(8 - 9 -1) + (31+61) – 0 = 3

2.3 Phân tích động học tay máy

Động học tay máy giải quyết vấn đề nghiên cứu chuyển động của tay máy dựa trên các ràng buộc hình học của các khâu Phân tích động học được thực hiện mà không quan tâm đến các lực và moment sinh ra do chuyển động Nghiên cứu động học qua tay máy được chia ra làm hai phần, bài toán động học thuận và bài toán động học nghịch Vấn đề của bài toán động học thuận là biết trước các chuyển động tương đối giữ các khâu ( sau này ta sẽ gọi là các biến dịch chuyển ), xác định vị trí hướng của khâu tác động cuối ( gọi là các biến vị trí ) theo toạ độ Descartes Đối với bài toán độn học ngược người ta biết trước quy luật của các biến vị trí ( cụ thể là hướng vị trí của khâu tác động cuối trong hệ toạ độ Descartes), từ đó xác định quy luật chuyển động

kiện cụ thể

2.3.1 Lựa chọn phương pháp phân tích tay máy

Phương pháp phổ biến trong phân tích tay máy là sử dụng quy tắc Hartenberg, hệ toạ độ gắn lên các khâu như sau:

Denavit- Trục Z đặt dọc theo trục khớp i+1 i

 Trục X đặt dọc theo phương pháp tuyến chung giữa i Z i1và Z , hướng từ khớp i i

đến khớp i+1

 Trục Y vuông góc với i X và i Y theo qui tắc bàn tay phải i

 Gốc toạ độ O là giao của trục i Z và pháp tuyến chung nhỏ nhất của trục i Z i1và

Các thông số Denavit Hartenberg:

 Khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương X là i a (tham số) i

 Khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương Z i1là d (biến khớp) i

 Góc quay quanh trục X giữa trục i Z i1và Z là i i (tham số)

 Góc quay quanh trục Z i1 giữa trục X i1và trục X là i i (biến khớp)

Xác định ma trận chuyển đổi từ hệ toạ độ thứ i vế hệ toạ độ thứ i-1:

Hình 2.3 Xác định các thông số D-H của kết cấu động học vòng kín

Tuy nhiên, khác với kết cấu động học vòng hở, trong kết cấu động học vòng kín tất cả hệ tọa độ hoàn toàn được xác định bởi mối liên hệ hình học của các khâu Đặc

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 21

biệt là nếu sử dụng quy tắc Denavit-Hartenberg, thì hệ tọa độ của khâu tác động cuối cùng ( khâu thứ n) sẽ trùng với hệ tọa độ của khâu giá (khâu thứ 0) Vì vậy việc xác định ma trận chuyển đổi vô cùng phức tạp bởi sự tồn tại của nhiều vòng động học kín Đối với những tay máy song song, để dễ dàng và thuận tiện trong việc phân tích, người

ta sử dụng phương pháp phân tích hình học Trong phương pháp này, ta hình thành phương trình biểu thị cho vector vòng động học kín cho mỗi cánh tay máy, và các biến khớp bị động được khử đi trong các phương trình

2.3.2 Phân tích hình học tay máy

Như đã phân tích ở mục trên, ta sử dụng phương pháp hình học trong phân tích tay máy

Các thông số hình học của tay máy:

 Hệ tọa độ ban đầu được đặt cố định tại vị trí điểm P Trục x đặt dọc theo vectơ

PQ



, trục y đặt dọc theo phương vuông góc với vectơ PQ

 Các điểm liên kết với giá cố định và tấm di động đều hình thành nên các tam giác đều:

D A

SVTH: Nguyễn Thành Phúc 22

Vị trí của tấm di động được xác định bởi vị trí của điểm A và góc định hướng 

Từ đó vị trí cảu các điểm B, C được xác định theo vị trí của điểm A và góc định hướng

Hình 2.5 Thông số hình học của cánh tay thứ nhất

Từ Hình 2.5 ta có thể xác định được phương trình cho vòng kín thứ nhất như sau:

OA OP PD DA   (2.6) Phương trình (2.6) có thể viết như sau:

x A x P a c1 1b c1  1 1 (2.7)

y A  y P a s1 1b s1  1 1

Hình 2.6 Thông số hình học của cánh tay thứ hai

Tương tự, từ Hình 2.6 ta có thể xác định được phương trình cho vòng kín thứ 2 như sau:

AO AB BE EQ QO2=    2 (2.10) Kết quả phương trình (2.10) ta được:

Ở bài toán động học nghịch của tay máy song phẳng ba bậc tự do 3-RRR, các tọa

độ x y và góc định hướng A; A  được xác định trước, các góc liên kết   1, ,2 3 chưa xác định

Phương trình (2.9) có thể được viết dưới dạng như sau:

e s1 1e c2 1  e3 0 (2.14) Với:

sẽ không được đáp ứng, vì vị trí đó nằm ngoài không gian làm việc của tay máy

2.3.5 Bài toán động học thuận

Ở bài toán động học thuận của tay máy song phẳng ba bậc tự do 3-RRR, các giá

trị đầu vào là các góc 1,2 và 3đã xác định, và các giá trị cần xác định là tọa độ điểm ( ; )x y và góc định hướng A A  để xác định vị trí của tấm phẳng di động, khâu tác động cuối cùng

Các phương trình (2.9), (2.11) và (2.13) được viết dưới dạng: